畢業(yè)論文：W-CDMA數(shù)字選頻移頻系統(tǒng)——硬件電路的設計

目錄/提綱：……
1、射頻單元主要有雙工器、濾波器、變頻單元等組成
3、光傳輸單元主要是由數(shù)字光模塊組成
5、供電系統(tǒng)主要實現(xiàn)對近端所有有源模塊的正常工作提供穩(wěn)定的電壓
表二、LM2678S-ADJ相關數(shù)據(jù)
表三、MIC38300相關數(shù)據(jù)
表四、LP38500TS-ADJ相關數(shù)據(jù)
（一）工具
（二）調(diào)試準備
（三）電路板檢查
……
題目：W-CDMA數(shù)字選頻移頻系統(tǒng)——硬件電路的設計

院 系：信息科學與工程學院
專 業(yè)：電子信息工程

摘要
WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access（寬帶碼分多址）的英文簡稱，可在5MHz的帶寬內(nèi)，提供最高384kbps的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率，是一種第三代無線通訊技術，目前中國聯(lián)通采用的此種3G通訊標準。數(shù)字直放站是現(xiàn)在通信行業(yè)中一項重要設備，直放站在通信傳輸過程中起到信號增強的一種無線電發(fā)射中轉設備，所以也叫中繼站。它與基站相比有結構簡單、投資較少和安裝方便、價格便宜的優(yōu)點。
本文簡要介紹了數(shù)字光纖直放站通信的原理和數(shù)字中頻板的硬件電路組成。包括ADC、DAC、FPGA、CLOCK、供電電源等，著重介紹了鎖相環(huán)的原理和運用時常見的問題和解決辦法，電源方案的規(guī)劃和設計，并介簡要紹了LDO電源芯片。分析了高速電路中邏輯電平的運用和各個電平之間的連接方式。我們用數(shù)字光纖傳輸基帶信號，光纖傳輸具有線路損耗小，動態(tài)范圍大，傳輸距離遠,組網(wǎng)方式靈活的特點。
本系統(tǒng)既可以有效的實現(xiàn)通信，又不會浪費資源，在用于高速鐵路線路的覆蓋、復雜地形和偏遠村莊的信號覆蓋有很大的優(yōu)勢，應用前景十分廣闊。


關鍵字： WCDMA FPGA 數(shù)字光纖 鎖相環(huán) 電源方案



ABSTRACT
The WCDMA short for the Wideband Code Division Multiple Access of English.It can supply as high as 384kbps date transmission speed in 5M bandwidth. radio transmission techniques of the third generation mobile communication system. At present, china Unicom use this 3G communcation standards. Digital repeater is now an important device in the communications industry, the communications transmission repeater to play a radio transmission signal enhancement transit equipment, also called relay stations. It is simple in structure compared with the base station, less investment and ease of installation and low price advantages.
This paper introduces the principles of digital communications and fiber optic repeater digital IF circuit board
……（新文秘網(wǎng)http://m.120pk.cn省略2104字，正式會員可完整閱讀）……　
硬件為基礎的傳統(tǒng)通信載體無法適應這種新局面。同時，隨著通信業(yè)務的不斷增長，無線頻譜變得越來越擠，對現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻帶利用率及抗干擾能力提出了更高的要求。但是，沿著現(xiàn)有通信_的發(fā)展，很難對頻帶重新規(guī)劃。同時，若采用新的抗干擾方法，也要求對現(xiàn)有系統(tǒng)結構做出很大的調(diào)整，代價很大，軟件無線電是一種解決辦法。
其次隨著社會信息化的加快，邊遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)對移動通信的需求日益提高，是移動業(yè)務增長點。這些地方地域廣、地型復雜、話務量低，運營商建網(wǎng)初期面臨高投入、低回報的壓力�，F(xiàn)有2G移動通信系統(tǒng)由于處于高頻頻段，空間傳播損耗過大，繞射能力弱，只能進行可視距覆蓋，多丘陵、多山、森林等地區(qū)覆蓋存在不足。另外通信頻率資源有限，運營商必須利用有限的頻率資源,以保證無線通信業(yè)務的持續(xù)發(fā)展。而目前解決多丘陵、多山、森林等邊際網(wǎng)地區(qū)覆蓋的方式一般采用大功率微基站，這種方式相對投資過大，同時受建設環(huán)境約束，光線直放站的運用將有很大的優(yōu)勢。
WCDMA數(shù)字光纖射頻拉遠系統(tǒng)是指將WCDMA射頻信號混頻為中頻信號再經(jīng)A/D轉換為數(shù)字信號，通過對數(shù)字信號進行處理、濾波和采用數(shù)字光纖技術進行傳輸，并經(jīng)D/A轉換和放大，實現(xiàn)WCDMA射頻信號的拉遠傳輸?shù)脑O備和系統(tǒng)。它通過把射頻信號轉換到數(shù)字信號，然后傳輸數(shù)字化的光信號，對主端機MU（Master Unit）和從端機RU（Remote Unit）之間的光損耗無需補償，工程安裝調(diào)度簡單；同時對高峰均比信號的WCDMA信號加入CFR功能，更好的提高系統(tǒng)效率。
WCDMA數(shù)字光纖直放站可進行靈活的組網(wǎng)方式，可進行星形、菊花鏈及簡單的星形和菊花鏈混合組網(wǎng)（一個近端星形點對多點帶四條菊花鏈）。實現(xiàn)級聯(lián)組網(wǎng)方式，有效解決光纖資源的投資成本較大問題。

第二章 系統(tǒng)方案

近端機框圖：

圖1、 近端機單元原理框圖

從射頻耦合口得到基站的下行信號－>直放站近端機的RF接收，射頻下變頻到中頻－>ADC采樣為數(shù)字中頻信號－>通過混頻器得到I/Q兩路中頻信號，數(shù)字下變頻到基帶（DDC）－>CPRI模塊將I/Q基帶數(shù)據(jù)組幀－>通過SerDes芯片將CPRI數(shù)據(jù)送給光口模塊－>光纖傳輸?shù)街狈耪具h端機（幾十公里）－>光模塊接收，并通過SerDes芯片恢復并行數(shù)據(jù)和時鐘信號－>CPRI模塊解幀，提取出基帶的I/Q數(shù)據(jù)－>數(shù)字上變頻（DUC），經(jīng)過混頻器得到數(shù)字中頻信號－>DAC輸出模擬中頻信號－>RF上變頻－>功放模塊－>天線發(fā)射到終端手機用戶。
上行通道（手機到基站）：終端手機用戶發(fā)射－>遠端機接收射頻信號－>經(jīng)過低噪放和射頻下變頻到模擬中頻－>ADC采樣為數(shù)字中頻信號－>通過混頻器得到I/Q兩路中頻信號，數(shù)字下變頻到基帶（DDC）－>CPRI模塊將I/Q基帶數(shù)據(jù)組幀－>通過SerDes芯片將CPRI數(shù)據(jù)送給光口模塊－>光纖傳輸?shù)街狈耪窘藱C（幾十公里）－>光模塊接收，并通過SerDes芯片恢復并行數(shù)據(jù)－>CPRI模塊解幀，提取出基帶的I/Q數(shù)據(jù)－>數(shù)字上變頻（DUC），經(jīng)過混頻器得到數(shù)字中頻信號－>DAC輸出模擬中頻信號－>RF上變頻－>通過射頻耦合口將射頻信號輸入基站的天饋系統(tǒng)。
近端單元主要有射頻單元、數(shù)字中頻單元、光傳輸單元、監(jiān)控單元、供電系統(tǒng)等部分組成。
1、 射頻單元主要有雙工器、濾波器、變頻單元等組成。
雙工器主要是實現(xiàn)收、發(fā)（上行、下行）信號的分離；
濾波器實現(xiàn)在分集接收端濾除上行信號以外的雜散信號；
變頻單元分為上行變頻單元和下行變頻單元，下行變頻單元主要是實現(xiàn)將基站過來的射頻信號變?yōu)閿?shù)字中頻模塊中ADC能夠接收采樣的中頻信號。上行變頻器是將數(shù)字中頻模塊DAC輸出模擬中頻信號變?yōu)榛窘邮盏纳闲猩漕l信號。
2、 數(shù)字中頻單元主要有ADC、DAC、DDC、DUC、CPRI等組成。
ADC主要是實現(xiàn)將變頻過來的模擬中頻信號通過高速采樣變?yōu)閿?shù)字信號；
DAC主要是實現(xiàn)將DUC過來的數(shù)字信號轉變?yōu)槟M中頻信號；
DDC數(shù)字下變頻是指將ADC采樣得到的數(shù)字中頻信號搬移到基帶頻率，并且恢復出I/Q信號。它包括兩個部分。1、混頻是指通過混頻器（Mi*er）將中頻頻率搬移到基帶頻率上，并且恢復出I/Q兩路正交數(shù)據(jù)。對于單載波來說，就是將信號由中頻搬移到（-100KHz，100KHz）的基帶上。2、采樣率變換是將中頻高采樣率變換到基帶的Symbol速率上，同時需要滿足WCDMA的頻譜模板和接收性能要求。
DUC數(shù)字上變頻是指將基帶I/Q數(shù)據(jù)由基帶頻率搬移到中頻頻率上。它包括兩個部分：
1、 采樣率變換將基帶的Symbol速率變換到滿足中頻采樣的高采樣率上，同時完成滿足WCDMA的頻譜模板的選頻功能。對于WCDMA信號來說，其Symbol速率都是270.833KHz。而中頻的采樣率為幾十MHz。采用多級濾波器設計完成采樣率變換，同時發(fā)射信號頻譜需要滿足WCDMA協(xié)議要求的頻譜模板。2、混頻是指通過混頻器（Mi*er）將基帶頻率搬移到中頻頻率上。對于單載波來說，就是將信號由（-100KHz，100KHz）搬移到中頻上。
2、CPRI接口用來傳送WCDMA基帶數(shù)據(jù)；由于直放站近端機和遠端機之間的距離為幾十公里，因此需要采用光纖來傳輸WCDMA基帶數(shù)據(jù)。需要采用SerDes芯片將FPGA輸出的并行基帶I/Q數(shù)據(jù)轉換為高速串行信號，再通過光模塊轉換為光信號，通過光纖傳輸?shù)竭h端。
3、光傳輸單元主要是由數(shù)字光模塊組成。通過SerDes輸出的高速串行信號通過光模塊進行傳輸?shù)竭h端。
4、監(jiān)控單元主要是由本地監(jiān)控單元和遠程控制單元，本地控制單元通過本地通信232串口線實現(xiàn)對近端和遠端設備的參數(shù)進行控制和查詢。遠程控制單元是通過網(wǎng)管中心用無線MODE的數(shù)傳達或短信的方式進行對近端和遠程的參數(shù)進行控制和查詢。
5、供電系統(tǒng)主要實現(xiàn)對近端所有有源模塊的正常工作提供穩(wěn)定的電壓。

遠端機框圖：

圖2、 遠端機原理框圖
遠端單元主要由光傳輸單元、數(shù)字中頻單元、射頻單元、監(jiān)控單元、供電系統(tǒng)等部分組成。
其中除了射頻單元以外，其它光傳輸單元、數(shù)字中頻單元、監(jiān)控單元、供電系統(tǒng)與近端單元的工作原理相似。在射頻單元中除了變頻單元、雙工器、濾波器之外還增加了下行高功率放大器（HPA）和上行低噪聲放大器（LNA）。高功率放大器是將變頻單元變?yōu)榈腤CDMA下行射頻信號進行放大實現(xiàn)對覆蓋區(qū)的大范圍覆蓋。低噪聲放大器是實現(xiàn)對終端發(fā)射過來的上行WCDMA信號進行低噪聲放大，提高系統(tǒng)的接收靈敏度。

數(shù)字中頻單元是最重要的部分，它包括ADC、DAC、FPGA、CLOCK和供電電路。

第三章 AD單元電路

AD6655是一款用于數(shù)字通信的高性能AD芯片。
主要特性：信噪比74.5dbc，37.2MHz帶寬、70MHz@150MSPS。
無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：80dbc，70MHz@150MSPS
1.8v模擬電源供電
1至8輸入時鐘整數(shù)分頻器
集成雙通道ADC ： 采樣速率高達150MSPS
中頻采樣速率達450MHz
ADC內(nèi)部基準電壓源
集成ADC采樣保持輸入
靈活的模擬輸入范圍：1vpp至2vpp
95db通道隔離/串擾
集成寬帶數(shù)字下變頻器（DDC）
32位復數(shù)數(shù)控振蕩器（NCO）
半帶抽取濾波器與FIR濾波器
支持實數(shù)和復數(shù)輸出模式


圖3、 ADC單元電路框圖
AD6655外部硬件電路：
（1） 供電：1、21引腳為數(shù)字輸出驅動電源輸入引腳，需要3.3v數(shù)字電源，引腳附近加一0.1uF退耦電容。24、57腳為內(nèi)部數(shù)字電路供電引腳，需要1.8v數(shù)字電源，引腳附近加一0.1uF退耦電容。36、45和46為內(nèi)部模擬電路供電引腳，需要1.8v模擬電源，引腳附近加一0.1uF退耦電容。Pad為裸露焊盤，必須與地相連芯片才能正常工作。
（2） CLK: AD6655時鐘輸入結構非常靈活，COMS、LVDS、LVPECL或正弦信號都可以作為輸入時鐘。我們采用的輸入時鐘為LVPECL電平，從時鐘電路單元引入。CLK+和CLK-引腳有內(nèi)部偏置，不需要外部偏置。
（3） Data: AD6655有14對差分數(shù)據(jù)輸出線，輸出為LVDS電平，模擬信號轉換為數(shù)字信號后送到FPGA，進行處理。為了抑制浪涌電流，一般在數(shù)據(jù)線上串聯(lián)22~33歐姆的排阻。采用總線的方式進行端口連接，簡便明了。
（4） 信號輸入采用分集接收，兩個ADC以相同方式處理兩個來自獨立天線的信號，可以有效的抗多路徑衰落。
輸入端串聯(lián)一個小電阻，可以降低驅動源輸出級所需要的瞬時峰值電流，選用33歐姆。在兩個輸入端之間配置一個并聯(lián)電容，可以提供動態(tài)充電電流。
射頻連接端信號輸入后經(jīng)過差分雙巴倫耦合把單端信號轉換成差分信號，同時滿足更高的SNR要求，將CML引腳連接到變壓器次級線圈的中心抽頭出，用來實現(xiàn)模擬輸入偏置。
C242和C243為并聯(lián)電容，R385和R384為并聯(lián)電阻，C242和R384組成RC網(wǎng)絡，C243與R385組成RC網(wǎng)絡。并聯(lián)電容值C均取決于輸入頻率和源阻抗，我們需要盡可能的降低電容量或去掉并聯(lián)電容。
下表給出參考值：

表一、電阻電容取值參考表
需要注意的是，這些只能作為初始參考值，最終取值需要取決于參考信號。
（5）SPI控制：48串行數(shù)據(jù)/時鐘選擇引腳，47串行數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，51為SPI片選引腳，低電平有效。這三條控制線連接到FPGA的BANK3。
（6）其他：42為外部偏置引腳，加一個10K的偏置電阻。
第四章 DA單元電路
為了實現(xiàn)高精度，高性能，低噪聲，低功耗等較高的硬件要求，我們選擇使用ADI的AD9779數(shù)模轉換器。AD9779是一款雙通道、16Bit、高動態(tài)范圍的數(shù)模轉換器，提供1GPSP的采樣速率，可以產(chǎn)生最高達奈奎斯特頻率的多載波。AD9779具有針對直接變頻傳輸應用進行優(yōu)化的特性，包括復數(shù)數(shù)字調(diào)制以及增益與失調(diào)的補償。
AD9779特性：
低功耗（全部工作條件下）:1w（1GPSP）:600mW（500MPSP）
單載波W-CDMA ACLR=80dbc@80MHz
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